缆索承重桥梁专用高等级型钢护栏研发

裴大军， 彭晓彬， 龚帅， 邓宝， 杨福宇， 亢寒晶， 闫书明

(1.湖北武穴长江公路大桥有限公司， 湖北 黄冈 435499; 2.湖北省交通规划设计院股份有限公司；3.北京华路安交通科技有限公司)

近年来，中国公路桥梁建设事业快速发展，特大型桥梁建设不断涌现，其中斜拉桥和悬索桥等缆索承重桥梁占有较大比例。与一般桥梁承重结构相比，缆索承重桥梁设置有缆索和桥塔结构，这些结构是桥梁的主要承重构件，若是受到事故车辆的严重碰撞，有可能影响桥梁主体安全。桥梁护栏是拦截事故车辆并对乘员形成缓冲保护的重要设施，缆索桥梁由于对桥梁自身载荷的轻量化要求较高，一般采用型钢护栏，与传统的桥梁护栏相比，缆索承重桥梁护栏从功能上不但要保护车辆和司乘人员安全，更要保护桥梁主体安全。

该文通过调查，掌握缆索承重桥梁对于护栏的特殊防护需求，在此基础上提出缆索承重桥梁专用高等级型钢护栏设计新理念并给出相应设计结构，采用实车足尺碰撞试验对设计结构进行安全性能评价，有效提高缆索承重桥梁安全运营水平。

1 缆索承重桥梁护栏特殊防护需求

1.1 护栏结构形式

中国桥梁护栏形式主要包含型钢护栏、混凝土护栏以及组合式护栏3种，其中混凝土护栏和组合式护栏重量较大，在缆索承重桥上应用会增加桥梁的永久荷载，而型钢护栏结构具有轻盈通透的特点，应用于缆索承重桥上能够减少桥梁重量和横向风载，并且还兼具良好的安全性与景观效果，目前在各大型缆索承重桥梁上应用较为广泛。

1.2 护栏防护等级

对于缆索承重桥梁等大型桥，一旦车辆驶出桥外可能会造成群死群伤的恶性事故，甚至会影响桥梁主体安全，事故严重程度级别属于高级，根据JTG D81—2017《公路交通安全设施设计规范》对大型悬索桥、斜拉桥等缆索承重桥梁护栏等级的要求，其防护等级宜选用八(HA)级，属于目前新规范中最高等级。

1.3 车辆侧倾特殊指标

缆索承重桥梁与一般桥梁有所不同，其主要承重构件吊索或斜拉索相对于桥梁钢构件属于柔性结构，若桥上车辆发生事故导致穿越护栏(图1)，或者车辆碰撞护栏过程中车身侧倾严重则极有可能对吊索和斜拉索发生冲击(图2)，有可能直接影响桥梁主体安全，后果将不堪设想，因此缆索承重桥梁对护栏的安全防护性能提出了更为严格的要求，即尽可能降低车辆侧倾量的特殊指标要求。

图1 车辆穿越护栏事故

图2 车辆侧倾示意图

2 缆索承重桥梁护栏设计

基于缆索承重桥梁护栏的特殊防护需求分析，提出型钢护栏设计新理念和结构设计方案。

2.1 设计理念

常规设计的桥梁梁柱式型钢护栏横梁碰撞侧均在同一竖直面，车辆发生碰撞时，护栏向背部倾斜变形，车轮接触护栏基座或护栏下部横梁，并以车轮与地面接触点为支点发生侧倾，如图3所示。

图3 车辆碰撞常规护栏侧倾示意图

基于此提出防侧倾功能桥梁护栏设计新理念：护栏结构在车辆碰撞时车身先与上部横梁接触产生相互作用力，此时车轮仍与护栏下部横梁保持一定距离或车轮随下横梁移动；随后在上部横梁的作用下车辆被动转向并逐步导正，同时车辆推动护栏向背部倾斜变形，这个过程中车轮随着车身移动，尚未形成明显的支点，即延迟了车轮形成支点的时间，使车身倾斜程度较小或不发生侧倾。

2.2 结构设计

依据防侧倾的设计理念，结合以往型钢护栏的研发经验，提出缆索承重桥梁护栏的结构设计方案如图4所示：护栏高度1.6 m，四横梁分布，8 mm厚斜H形立柱，立柱与横梁之间设置防侧倾块，防侧倾块分别与立柱、横梁采用螺栓连接，上层2根横梁和防侧倾块均为8 mm厚，下层2根横梁和防侧倾块各4 mm厚。设计方案下层2根横梁及防侧倾块较弱，碰撞时易于变形，车轮可随之移动，从而可实现护栏防侧倾的功能。

图4 缆索承重桥护栏结构(单位：mm)

3 实车足尺碰撞试验评价

根据JTG B05-01—2013《公路护栏安全性能评价标准》对HA级护栏碰撞条件的规定(表1)，进行护栏安全防护性能的实车足尺碰撞试验验证。护栏长度设置为40 m，碰撞点位置为护栏模型总长1/3处。

表1 碰撞条件

护栏结构在实际工程中应用，其安全防护性能必须经实车足尺碰撞试验的验证。根据设计结构，结合实际的工程需求，按1∶1比例建立护栏试验段。按表1中HA级护栏的碰撞条件组织实车足尺碰撞试验，对护栏的安全性能进行评价，图5为试验护栏和试验车辆。

图5 试验护栏与试验车辆

图6为车辆的碰撞过程图。由图6可以看出：4种车型碰撞护栏后，车辆均能顺利导出，护栏对车辆的阻挡功能良好。

图6 车辆碰撞护栏行驶轨迹俯视图

护栏的缓冲功能主要考察小型客车碰撞护栏后，乘员碰撞速度和乘员碰撞后加速度，表2为小客车碰撞后护栏的缓冲指标，从表2中可以看出：护栏的缓冲功能符合标准要求。

表2 缓冲指标数据

图7为车辆碰撞护栏后，车辆导向驶出框示意图。

图7 导向驶出框示意图(单位：m)

从图7可以看出：小型客车碰撞护栏后在10 m范围内未驶出评价标准规定的边界，特大型客车和大型货车在20 m范围内未驶出评价标准规定的边界，说明护栏的导向功能满足标准要求。

图8为小型客车、特大型客车、40 t大型货车、55 t拖头式大型货车碰撞后护栏变形情况。碰撞后，护栏最大残留变形、车辆与护栏的刮擦长度、车辆外倾数据如表3所示。

图8 车辆碰撞护栏后护栏变形情况

由表3可知：护栏对小型客车、特大型客车、整体式大货车、拖头式大型货车均具有较好的防侧倾功能。

表3 车辆碰撞护栏变形数据及车辆外倾数据

4 结语

通过缆索承重桥梁专用高等级型钢护栏的研究，提出了护栏防侧倾的新理念，依据此新理念设计的缆索承重桥梁护栏结构经实车足尺碰撞试验验证，护栏的阻挡功能、缓冲功能、导向功能以及防侧倾功能均符合安全防护要求，可满足缆索承重桥梁的防护需求，有效提高了桥梁路段运营安全水平。